高頻免共振鋼管樁在基坑豎向支承體系的應用

陸 文 卿

(上海寰宇城市投資發展有限公司，上海 200232)

0 引言

鋼管樁的高頻免共振沉樁工藝，是采用高頻免共振設備(主要是液壓振動錘)，配合起吊設備和垂直度矯正措施，將鋼管分節打入土中，用鋼襯墊熔透焊配合CO2氣體保護的方式將鋼管分段連接并形成樁體。液壓振動錘的設計是通過可變偏心力矩實現偏心塊的振動頻率在零至工作頻率之間自動調節，從而消除設備在啟動和關閉時與土體固有頻率的共振，起到減少沉樁過程對周邊環境影響的作用[1,2]。

作為一種新型施工技術，高頻免共振鋼管樁能契合國家住建部在2010年推廣的建筑業十項新技術中關于鋼結構技術和綠色施工技術的應用。相較普通鉆孔灌注樁或PHC預應力管樁，其特點和優勢也較為明顯：綜合經濟效益與鉆孔灌注樁基本相同；設備進出場方便，占用的施工場地較小；工效高又無振動或擠土效應，對周邊環境保護有利；施工過程環保，無噪聲污染、無泥漿、無揚塵。

目前，高頻免共振沉樁工藝在上海地區道橋工程[3]和市區敏感項目(鄰近地鐵[4,5]、高鐵、機場、老舊建筑等)樁基礎的應用和研究較多，而在基坑支護工程中的應用較少。本文以上海徐匯某深基坑工程為例，對采用高頻免共振鋼管樁作為基坑支護結構體系立柱樁的可行性進行分析和驗證，為今后深基坑項目的設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

項目由4棟甲級寫字樓和若干商業裙房組成，整體設置3層地下室，基坑總面積約8萬m2，分區先后順作實施，普遍區域開挖深度為17.5 m。實施過程中，兩個位于關鍵路線上的分區(A,B)基坑由于工況調整增加棧橋平面布置，需增打豎向支撐樁柱28根。由于分區內已經進行了放坡開挖，在既有坡體上進行鉆孔灌注樁施工的難度較大；另一方面，常規鉆孔灌注樁需要較長的養護時間才能達到設計強度，將嚴重影響項目工期。基于上述原因，為滿足工期進度的要求，采用直徑800 mm，壁厚16 mm，長度60 m的鋼管作為豎向支撐樁柱，選用ICE-70RF型高頻免共振設備進行鋼管樁施工，該設備沉樁深度可達60 m～80 m，峰值振動頻率為2 300 r/min。

2 鋼管樁的豎向承載力計算

采用盈建科結構計算軟件建立支撐和立柱整體模型，通過計算立柱的柱底反力來確定其樁頂荷載，如圖1所示(陰影部分為棧橋或封板)。荷載取值原則按棧橋上活荷載25 kPa、支撐上活荷載4 kN/m確定，計算立柱的樁頂荷載標準值(1.0恒+1.0活)和設計值(1.3恒+1.5活)，A區、B區基坑棧橋下的樁頂最大荷載標準值分別為3 560 kN和3 768 kN。由于勘察報告中未提供預制樁側摩阻力fs及樁端阻力fp，故根據上海市《地基基礎設計標準》[6]中建議的預制樁樁側及樁端阻力的下限值進行單樁承載力計算，得到鋼管樁的單樁承載力特征值為3 810 kN，大于棧橋立柱的豎向荷載標準值，滿足設計要求。

3 高頻免共振鋼管樁的施工

3.1 鋼管的加強措施

基坑豎向設置4道混凝土支撐，為保證鋼管與混凝土支撐豎向連接可靠，如圖2所示在與混凝土支撐相交范圍內的鋼管外側焊接弧形鋼板，并在弧形鋼板上設置栓釘。由于鋼管阻斷了混凝土支撐主筋的貫通，在相交處設置環梁，并將支撐主筋錨入環梁中。同時為防止水平支撐力較大引起鋼管變形，在支撐范圍內平行于支撐方向設置內部加勁板。此外，鋼管樁每節頂部500 mm范圍內采用10 mm厚鋼板作加強處理，以保證沉樁過程中ICE設備夾取位置的鋼管不發生變形。

3.2 鋼管樁施工流程

鋼管總長度60 m，分為4節打入，每節長度15 m，采用ICE-70RF高頻免共振液壓振動錘，根據場地條件配備一臺履帶吊，將振動錘通過鋼絲繩懸掛在吊鉤上，對鋼管樁進行施打，另配備一臺輔吊用于鋼管樁的卸車和喂樁。振動錘(含油管、夾具等)約13.8 t、單節鋼管約5 t、吊鉤和鋼絲繩約4.2 t，總重約23 t。結合打樁起始高度和現場作業半徑，根據起重性能表，選用一臺Q250 t履帶吊，臂長45.2 m，最大工作半徑28 m，額定起重量29 t，按照安全系數0.8計算29 t×0.8=23.2 t>23 t，可滿足施工要求。

現場按照“測量放樣→沉下節樁→焊接→沉中下節樁→焊接→沉中上節樁→焊接→沉上節樁”的步驟進行施工。具體步驟如下：

1)施工前先計算出鋼管樁中心坐標，進行現場放樣和復核；2)在履帶吊與輔吊的配合下，用提樁器將鋼管樁水平起吊并翻轉至豎直狀態，制動提樁器，將鋼管提升至振動錘夾具位置并夾緊，完成對樁；3)現場通過2臺互成90°夾角的經緯儀，對鋼管樁的垂直度進行觀測和調整；4)開啟振動錘，進行下節樁沉樁施工，并預留一定長度鋼管進行焊接施工，在沉樁過程中利用經緯儀實時觀測樁身垂直度；5)待下節樁就位后，進行中節樁的起吊，對中并焊接后繼續沉放施工；6)重復上述步驟，直至60 m的鋼管沉放至設計深度后轉移至下一樁位，繼續施工。

3.3 工效統計和分析

現場對28根ICE鋼管樁的沉樁過程進行了詳細記錄，統計出各道工序平均施工時間，以分析和評價本次作業的施工效率。如表1所示，沉樁平均施工時間約2 h，而實際作業過程中還存在準備工作時間，包括挪機移位、焊接吊耳、起吊喂樁等。如果場地條件較好、工人操作熟練、工序配合順暢，準備工作時間可在30 min內完成。單次焊接時間在30 min左右，三次焊接時間合計約1.5 h。

表1 鋼管樁平均沉樁施工時間統計

自下而上4節鋼管的沉樁時間均有所不同。其中，第2節(中下節樁)的沉樁速度最快，第4節(上節樁)的沉樁速度最慢，這與鋼管樁在施工上節樁時樁端進入了砂土層有關，但總體來說實際沉樁速度可達2.7 m/min～3.9 m/min，遠超過普通振動錘的施工效率。而在相同條件下，高頻免共振鋼管樁幾乎是傳統鉆孔灌注樁施工效率的5倍。

4 鋼管樁實施效果

從A區、B區基坑調整棧橋布置到增打的28根鋼管樁全部完成，共歷時21 d。其中，現場施工僅用12 d，且施工完成后無需養護可直接進行后續支撐及棧橋的施工作業，大大節省了工期。而在施工過程中，由于高頻免共振沉樁無泥漿排放，無需對廢渣進行處理和外運；同時施工產生的振動極小，對周邊已經施工完成的結構影響較小。

施工時采用履帶吊配合ICE設備對鋼管樁進行吊打，垂直度的控制難度較大。用經緯儀在沉樁過程中實時對樁身垂直度進行觀測和調整，確保第一節鋼管垂直度偏差不大于0.2%，余下各節鋼管垂直度偏差控制在0.3%以內，可確保ICE鋼管樁能滿足樁身垂直度偏差不大于1/300的設計要求。隨著本工程基坑開挖至設計標高(如圖3所示)，暴露出來的鋼管樁垂直度普遍好于鉆孔灌注樁角鋼格構柱。

在基坑開挖過程中，現場對ICE鋼管樁垂直位移、水平位移進行了跟蹤監測。以基坑中部鋼管立柱樁為例，其豎向隆起變化規律與普通鉆孔灌注樁格構柱相比基本類似，A區、B區最大立柱隆起量分別為18.1 mm和19.5 mm，且與相鄰鉆孔灌注樁格構柱的差異沉降量均小于10 mm，而最大水平位移僅為9 mm。說明鋼管樁與格構柱的協調性較好，作為豎向支承體系的效果較為理想。

此外，免共振工藝是通過高頻振動將鋼管樁周邊土體液化而進行沉樁的，沉樁后需要一定的恢復時間才能發揮其最大設計承載力。本項目在鋼管樁施工完成后開展首道支撐和棧橋的施工，達到設計強度后才進行土方開挖，這段時間恰好為鋼管樁承載力提供了恢復期。

5 結語

采用高頻免共振鋼管樁作為深基坑豎向支承體系大大縮短了立樁柱的施工周期，其沉樁速度可達2.7 m/min～3.9 m/min，是常規鉆孔灌注樁施工效率的5倍；施工過程綠色環保無泥漿排放且施工產生的振動影響極其微小，符合國家大力倡導的建筑工程綠色環保施工技術的要求；其施工垂直度偏差和基坑開挖過程中的豎向及水平位移均在可控范圍內。因此，高頻免共振鋼管可廣泛用于深基坑工程中作為豎向支承樁柱。